Biogeochemistry in acid sulphate soil landscapes and small urban centres in Western Finland

The overall purpose of this thesis was to increase the knowledge on the biogeochemistry of rural acid sulphate (AS) soil environments and urban forest ecosystems near small towns in Western Finland. In addition, the potential causal relationship between the distribution of AS soils and geographical occurence of multiple sclerosis (MS) disease was assessed based on a review of existing literature and data. Acid sulphate soils, which occupy an area of approximately 17–24 million hectare worldwide, are regarded as the nastiest soils in the world. Independent of the geographical locality of these soils, they pose a great threat to their surrounding environment if disturbed. The abundant metal-rich acid drainage from Finnish AS soils, which is a result of sulphide oxidation due to artificial farmland drainage, has significant but spatially and temporally variable ecotoxicological impacts on biodiversity and community structure of fish, benthic invertebrates and macrophytes. This has resulted in mass fish kills and even eradication of sensitive fish species in affected waters. Moreover, previous investigations demonstrated significantly enriched concentrations of Co, Ni, Mn and Al, metals which are abundantly mobilised in AS soils, in agricultural crops (timothy grass and oats) and approximately 50 times higher concentrations of Al in cow milk originating from AS soils in Western Finland. Nevertheless, the results presented here demonstrate, in general, relatively moderate metal concentrations in oats and cabbage grown on AS soils in Western Finland, although some of the studied fields showed anomalous values of metals (e.g. Co and Ni) in both the soil and target plants (especially oats), similar to that of the previous investigations. The results indicated that the concentrations of Co, Ni, Mn and Zn in oats and Co and Zn in cabbage were governed by soil geochemistry as these metals were correlated with corresponding concentrations extracted from the soil by NH4Ac-EDTA and NH4Ac, respectively. The concentrations of Cu and Fe in oats and cabbage were uncorrelated to that of the easily soluble concentrations in the soils, suggesting that biological processes (e.g. plant-root processes) overshadow geochemical variation. The concentrations of K and Mg in cabbage, which showed a low spread and were strongly correlated to the NH4Ac extractable contents in the soil, were governed by both the bioavailable fractions in the topsoil and plant-uptake mechanisms. The plant´s ability to regulate its uptake of Ca and P (e.g. through root exudates) seemed to be more important than the influence of soil geochemistry. The distribution of P, K, Ca, Mg, Mn and S within humus, moss and needles in and around small towns was to a high degree controlled by biological cycling, which was indicated by the low correlation coefficients for P, K, Ca, Mg and S between humus and moss, and the low spread of these nutrients in moss and needles. The concentration variations of elements in till are mainly due to natural processes (e.g. intrusions, weathering, mineralogical variations in the bedrock). There was a strong spatial pattern for B in humus, moss and needles, which was suggested to be associated with anthropogenic emissions from nearby town centres. Geogenic dust affected the spatial distribution of Fe and Cr in moss, while natural processes governed the Fe anomaly found in the needles. The spatial accumulation patterns of Zn, Cd, Cu, Ni and Pb in humus and moss were strong and diverse, and related to current industry, the former steel industry, coal combustion, and natural geochemical processes. An intriguing Cu anomaly was found in moss. Since it was located close to a main railway line and because the railway line´s electric cables are made of Cu, it was suggested that the reason for the Cu anomaly is corrosion of these cables. In Western Finland, where AS soils are particularly abundant and enrich the metal concentrations of stream waters, cow milk and to some extent crops, an environmental risk assessment would be motivated to elucidate if the metal dispersion affect human health. Within this context, a topic of concern is the distribution of multiple sclerosis as high MS prevalence rates are found in the main area of AS soils. Regionally, the AS soil type in the Seinäjoki area has been demonstrated to be very severe in terms of metal leaching, this area also shows one of the highest MS rates reported worldwide. On a local scale, these severe AS soil types coincide well with the corresponding MS clustering along the Kyrönjoki River in Seinäjoki. There are reasons to suspect that these spatial correlations are causal, as multiple sclerosis has been suggested to result from a combination of genetic and environmental factors.

Ympäristönäkökohtien huomioiminen asumisen läheisyyteen sijoitettavassa maanpäällisessä kivilinjassa

Työn tavoitteena oli selvittää, miten asutuksen läheisyydessä sijaitsevasta kivilinjasta aiheutuvat merkittävät ympäristövaikutukset muuttuvat, kun kivilinja siirretään kallion sisältä maan pinnalle. Kivilinjan aiheuttamia merkittäviä ympäristövaikutuksia ovat erityisesti melu ja pöly. Lisäksi työssä tarkasteltiin toiminnan muutoksesta aiheutuvia vaikutuksia kasvillisuuteen ja eläimistöön, liikennevirtoihin sekä pinta- ja pohjavesiin. Työssä tarkasteltiin myös uuden kivilinjan vaikutuksia yrityksen sisäisiin ympäristönäkökohtiin, kuten työolosuhteiden hallintaan. Työssä laskettiin äänitaso lähimmässä häiriintyvässä kohteessa uuden kivilinjan rakentamisen jälkeen. Äänitaso ei todennäköisesti uuden kivilinjan käyttöönoton myötä tule ylittämään ympäristöluvassa asetettuja raja-arvoja. Kasvillisuuteen ja eläimistöön uudella kivilinjalla voi olla sekä positiivisia että negatiivisia vaikutuksia. Vesistövaikutukset eivät todennäköisesti tule olemaan merkittäviä. Alueen liikennevirtoihin tulee uuden kivilinjan käyttöönoton myötä muutoksia. Ajettavien kilometrien määrä vähenee noin 18 000 kilometriä. Erityisesti prosessin loppupään ajokilometrit vähenevät huomattavasti.

Pollution trends using bark of morus alba in the cities of buenos aires and mendoza (Argentina)

A comparative study of elements deposited on tree bark was carried out for urban and periurban areas of two of the most important cities in Argentina. The content of Fe, Mg, Al, Mn, Zn, Pb, Ba, Cr, Hg, Cu, Ni, Cd and Sb was determined by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES) in Morus alba tree bark collected in the cities of Buenos Aires and Mendoza. The main air pollutants detected in the Buenos Aires urban area were Ba, Cr, Cu and Ni and indicate significative difference from the Mendoza urban and periurban areas. Significantly, higher concentrations of Zn, Ba, Cr and Cu were recorded in the periurban area of the city of Buenos Aires than in Mendoza. Bark samples were strongly influenced by dust and show Al, Fe, Mg and other element accumulations that indicate that soil particles were carried out by wind. Elements like Ba and Zn, commonly linked to traffic emissions, showed the highest concentrations in the Buenos Aires metropolitan area, possibly due to more intensive vehicular traffic. Our results indicated that intensity of vehicular traffic and not city structure is responsible for air pollution.

Energiapuun haketuksen ja murskauksen kustannukset

Energiapuun tuotannossa puu on hienonnettava kuljettimille ja kattilaan sopivaan kokoon. Tämä tehdään Suomessa yleensä joko metsätien varressa välivarastolla, keskitetyssä terminaalissa tai voimalaitoksella. Puu hienonnetaan joko terävillä terillä hakettamalla tai tylpemmillä työkaluilla murskaamalla. Hakkeessa on vähemmän käsittelyä haittaavia pitkiä tikkuja ja sen valmistamiseen tarvittava energia on hiukan pienempi kuin murskaimilla. Viimeksi mainitulla on merkitystä lähinnä karsittua puuta haketettaessa. Murskain puolestaan sallii enemmän epäpuhtauksia raaka-aineessa, joten esimerkiksi kantoja käsitellään vain murskaimilla. Tässä tarkastellaan erityisesti pienpuun haketuksen ja murskauksen kustannuksia. Pienpuuta saadaan nuoren metsän kunnostuksista ja ensiharvennuksista. Se voi olla joko karsimatonta kokopuuta tai karsittua rankaa. Kokonaiskustannukset pienpuun haketukselle tai murskaukselle ovat tämän tutkimuksen mukaan välivarastolla noin 3,4 euroa/MWh ja terminaalilla tai voimalaitoksella noin 2 euroa/MWh. Pääomakustannukset ovat pienpuulla tavallisesti 1-1,2 euroa/MWh, keskitetyllä terminaalilla toimittaessa noin kolmanneksen vähemmän, jos pääomalle asetetaan 10% tuottovaatimus. Työvoimakustannukset ovat 30-80 snt/MWh varaston ja laitteen koosta riippuen, käyttöenergia dieselmoottoria käytettäessä noin 50 snt/MWh, sähkömoottorilla noin 30 snt/MWh. Muut kulut, mm. huolto, ovat yhteensä 40-80 snt/MWh. Energiapuun hankinnan kokonaiskustannuksista raaka-aineen hienontamisen osuus on 10-30% puutavaran lajista ja käytetystä työmenetelmästä riippuen. Terminaaleilla ja voimalaitoksilla toimittaessa on usein kiinnitettävä huomiota melun- ja pölyntorjuntaan. Muun muassa näistä syistä saattaa kiinteä, sähkökäyttöinen murska olla sopiva sellaisiin kohteisiin, joissa käsiteltävät määrät ovat suuria ja toiminta pysyvää. Melun ja pölyn kunnollinen torjunta vaatii suuria rakenteita, joita on vaikea yhdistää liikuteltaviin laitteisiin.

Katupölyn torjunta hiekoitushiekan poistossa kaupunkiympäristössä

Katupölyn torjumisessa hiekoitushiekan poistossa kaupunkiympäristössä tutkittiin, miten katujen talvikunnossapidon toimenpiteet ja talven hiekoitushiekkojen poistotyö vaikuttavat yhdyskuntailman hengitettävien hiukkasten PM10 -katupölyn määrään ja selvitettiin nykyiset käytännöt sekä uusia menetelmiä vähentää katupölyn määrää. Tutkimus on tehty Lappeenrannan kaupungin teknisen toimen katujen kunnossapidon tulosalueelle. Hankkeessa keskityttiin löytämään uusi ja tehokkaampi työmenetelmä sekä työjärjestys hiekanpoistoon, jotta työnaikaisen katupölyn määrä saataisiin minimoitua. Tehokkaita menetelmiä tutkimuksen perusteella olivat katujen ennalta kastelua ja työnaikainen pölynsidonta suolaliuoksella katupölyn vähentämiseen sekä oikean menetelmän käyttö. Pölynsidonta suolaliuoksella osoittautui tehokkaaksi akuutin katupölyn vähentämiskeinoksi. Pölynsidonta ei kuitenkaan poista katupölyä ja puhdistus tulee tehdä myöhemmin. Kadunvarren lumessa on suuria hiekoitushiekan kiintoainespitoisuuksia ja lumen poisviennillä voidaan saavuttaa hyötyjä katupölyongelman kannalta. Hiekoituspäivien lukumäärä on myös suoraan verrannollinen katupölyn määrään. Hiekoituksen ohella myös nastarenkaiden käyttö lisää katupölypäästöjä kaupunkialueilla. Nastarenkaiden vaikutusta katupölyn määrään ei selvitetty tässä tutkimuksessa tarkemmin, koska nastarenkaiden käyttökiellon voidaan olettaa lisäävän liikennetapaturmia sekä myös liukkaudentorjunnan tarvetta, eli hiekoitusta.

Soodakattilan lentotuhkan uudentyyppisen analysaattorin arviointi

RBDA (Recovery Boiler Dust Analyzer) on soodakattilan savukaasujen hiukkasten määrää mittaava laite. Yksi laitteen mahdollisista sovelluskohteista on soodakattilan nuohouksen optimointi. Tämän työn tarkoituksena oli parantaa RBD-analysaattorin toimintaa ja erityisesti tutkia laitteen toimivuutta soodakattilan nuohouksen optimoinnis-sa. Soodakattilan nuohouksen optimoinnilla voidaan vähentää nuohoukseen kuluneen höyryn määrää ja näin saavuttaa taloudellisia säästöjä. RBD-analysaattorin toimivuutta testattiin toimivan soodakattilan avulla. Tutkimuksen tueksi testeissä käytetyn soodakattilan savukaasujen lämpötilat ja tuhkan tarttumisomi-naisuudet selvitettiin. Laitteen toimivuutta testattiin vertaamalla RBDA:n mittaustulosta standardin mukaiseen savukaasujen hiukkasmittausmenetelmään. Mittajärjestelmän soveltuvuutta soodakattilan nuohouksen optimointiin tutkittiin ajamalla nuohoimia käsin eri seisonta-aikojen jälkeen sekä mittaamalla soodakattilan normaalia nuohousjärjes-tystä. Mittausten perusteella todettiin, että RBDA havaitsee savukaasujen pölypitoisuuden ja sen muutokset luotettavasti. Nuohouksen optimointiin RBDA:n todettiin soveltuvan ny-kyisessä mallissaan vain vedenesilämmittimien osalta. Keittopinnan ja tulistimien nuo-hointen optimointiin ei saatu riittävän luotettavia mittaustuloksia. RBDA:n kehittäminen jatkotutkimuksilla todettiin mahdolliseksi.

Pölytutkimuksen kauneudesta

Kirjallisuusarvostelu

Suomen metsäteollisuuden päästökehitys vuoteen 2020

Metsäteollisuudessa on käynnissä rakennemuutos, joka tuo haasteita toimialan ympäristöasioiden hallintaan sekä ympäristölupia myöntävän ja valvovan viranomaisen toimintaan. Lähivuosina tulee myös runsaasti voimaan uutta lainsäädäntöä, joka vaikuttaa metsäteollisuuden ympäristöasioiden hallintaan. Tämän työn tarkoituksena oli arvioida Suomen kemiallisen metsäteollisuuden päästökehitystä vuoteen 2020 huomioiden metsäteollisuuden uusi tuotanto sekä lähivuosina voimaan tuleva ympäristölainsäädäntö, erityisesti päivitettävänä oleva massa- ja paperiteollisuuden BREF-asiakirja. Päästökehitystä arvioitiin viiden skenaarion avulla. Vesistöpäästöjen osalta tarkasteltiin COD- ja AOX-päästöjä sekä typpi- ja fosforipäästöjä, ja ilmapäästöjen osalta sellun tuotannon rikki- ja typpioksidi- sekä hiukkaspäästöjä. Massan- ja paperintuotannon oletettiin pysyvän muutaman prosentin nykyistä tasoa korkeammalla tasolla. Uuden tuotannon osalta kahdessa skenaariossa huomioitiin nestemäisten biopolttoaineiden tuotanto kolmella laitoksella, yhteensä 600 000 t/a. Päästölaskennassa käytettiin päivitettävänä olevan massa- ja paperiteollisuuden BREF-asiakirjan BAT-päätelmissä annettuja luonnoksia uusista päästötasoista. Skenaarioiden pohjalta havaittiin, että massa- ja paperiteollisuuden BAT-päätelmien mukaiset päästötasot eivät tuo merkittäviä muutoksia metsäteollisuuden vesistöpäästöihin vuoteen 2020 mennessä. Biojalosteiden tuotannon vaikutus vesistöpäästöihin todettiin myös hyvin vähäiseksi. Sen sijaan ilmaan johdettavat päästöt pienenevät huomattavasti: hiukkaspäästöt vähenivät 42–50 prosenttia uusien päästötasojen myötä. Biojalosteiden tuotannon vaikutus oli myös merkittävämpi kuin ilmapäästöihin kuin vesistöpäästöihin. Prosentuaalisesti eniten biojalostus lisäsi rikkidioksidipäästöjä.

Pasvik Water Quality Report Environmental Monitoring Programme in the Norwegian, Finnish and Russian Border Area

The Pasvik monitoring programme was created in 2006 as a result of the trilateral cooperation, and with the intention of following changes in the environment under variable pollution levels. Water quality is one of the basic elements of the Programme when assessing the effects of the emissions from the Pechenganikel mining and metallurgical industry (Kola GMK). The Metallurgic Production Renovation Programme was implemented by OJSC Kola GMK to reduce emissions of sulphur and heavy metal concentrated dust. However, the expectations for the reduction in emissions from the smelter in the settlement Nikel were not realized. Nevertheless, Kola GMK has found that the modernization programme’s measures do not provide the planned reductions of sulfur dioxide emissions. In this report, temporal trends in water chemistry during 2000–2009 are examined on the basis of the data gathered from Lake Inari, River Pasvik and directly connected lakes, as well as from 26 small lakes in three areas: Pechenganikel (Russia), Jarfjord (Norway) and Vätsäri (Finland). The lower parts of the Pasvik watercourse are impacted by both atmospheric pollution and direct wastewater discharge from the Pechenganikel smelter and the settlement of Nikel. The upper section of the watercourse, and the small lakes and streams which are not directly linked to the Pasvik watercourse, only receive atmospheric pollution. The data obtained confirms the ongoing pollution of the river and water system. Copper (Cu), nickel (Ni) and sulphates are the main pollution components. The highest levels were observed close to the smelters. The most polluted water source of the basin is the River Kolosjoki, as it directly receives the sewage discharge from the smelters and the stream connecting the Lakes Salmijarvi and Kuetsjarvi. The concentrations of metals and sulphates in the River Pasvik are higher downstream from the Kuetsjarvi Lake. There has been no fall in the concentrations of pollutants in Pasvik watercourse over the last 10 years. Ongoing recovery from acidification has been evident in the small lakes of the Jarfjord and Vätsäri areas during the 2000s. The buffering capacity of these lakes has improved and the pH has increased. The reason for this recovery is that sulphate deposition has decreased, which is also evident in the water quality. However, concentrations of some metals, especially Ni and Cu, have risen during the 2000s. Ni concentrations have increased in all three areas, and Cu concentrations in the Pechenganickel and Jarfjord areas, which are located closer to the smelters. Emission levels of Ni and Cu did not fall during 2000s. In fact, the emission levels of Ni compounds even increased compared to the 1990s.

Kytkentäaineet puumuovikomposiiteissa

Puumuovikomposiittien valmistuksessa yhdistetään kaksi toisistaan eroavaa materiaalia jolloin saadaan aikaan materiaalien ominaisuuksien ainutlaatuinen yhdistelmä. Polymeerimateriaaleina käytetään pääasiassa erilaisia kestomuoveja. Kuitumateriaaleina voidaan käyttää puujauhetta, sahanpurua, paperin- ja kartongin valmistuksessa käytettävää sellua, nanoselluloosaa tai muita puukuitumateriaaleja. Polaarisen puukuidun ja polaarittoman muovimateriaalin välinen materiaalien rajapinnan adheesio on yleensä riittämätöntä, mikä vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksien heikkenemiseen. Kyseinen ongelma on pyritty ratkaisemaan käyttämällä erilaisia kytkentäaineita. Tässä työssä keskitytään käsittelemään erilaisia puumuovikomposiittien kytkentäaineita, niiden toimintaa sekä vaikutuksia lopputuotteeseen. Lisäksi työssä esitellään myös puumuovikomposiittien valmistusmateriaaleja ja valmistusprosesseja.

Mahdollisuudet sisäilmaoireiden poistamiseen huonekohtaisen ilmanpuhdistimen avulla eri aikakauden rakennuksissa

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää sisäilmaongelmien aiheuttajia ja keinoja niiden poistamiseen. Kokeellisessa osuudessa on tavoitteena selvittää kenttämittauksin sisäilman epäpuhtauspitoisuuksia ja ilmanpuhdistimien vaikutusta sisäilman laatuun. Työ toteutetaan kirjallisuustutkimuksen, sisäilmamittauksien sekä asiantuntija- ja sisäilmakyselyjen avulla. Tutkimukseen valittiin viisi erilaisia puhdistustekniikoita käyttäviä ilmanpuhdistimia. Valitut ilmanpuhdistimet olivat viikon ajan viidessä eri koululuokassa, joissa tehtiin sisäilmamittauksia ennen puhdistimen käynnistystä ja sen jälkeen. Luokista kerättiin ilmanäytteitä Andersen keräimellä ja VOC-pumpulla sekä pölynäytteitä pintasivelynä. Tutkimuskohteissa ei havaittu merkittäviä sisäilmaongelmia ja ilmanäytteiden pitoisuudet olivat pääasiassa alhaisia. Poikkeavia sienisukuja ei myöskään esiintynyt valtalajeina. Rakennetutkimukset ja materiaalinäytteet ovat ensisijaisia tutkimusmenetelmiä ongelmakohteissa. Syytä sisäilman aiheuttamaan oireiluun ei vielä tarkalleen tiedetä. Suunnitteluun, valvontaan ja kunnossapitoon tulee panostaa enemmän. Mittausmenetelmiä tulee myös kehittää lisää ja huolehtia ilmanvaihdon toimivuudesta. Tutkimuksia tuleekin tehdä aina kokonaisvaltaisesti.

Indoor air quality at a waste incineration plant in Finland

Waste has been incinerated for energy utilization for more than a hundred years, but the harmful emissions emitted from the incineration plants did not begin to cause concern until the 1980s. Many plants were shutdown and the waste incineration plant in Kyläsaari Helsinki was one of them. In later years, new landfill regulations have increased the interest in waste incineration. During the last year, four new plants were taken into operation in Finland, Westenergy in Vaasa among them. The presence of dust has been observed indoors at Westenergy waste incineration plant. Dust is defined as particles with a diameter above 10 μm, while fine particles have a diameter smaller than 2.5 μm, ultrafine under 0.1 μm and nanoparticles under 0.05 μm. In recent years, the focus of particle health research has been changed to investigate smaller particles. Ultrafine particles have been found to be more detrimental to health than larger particles. Limit values regulating the concentrations of ultrafine particles have not been determined yet. The objective of this thesis was to investigate dust and particles present inside the Westenergy waste incineration facility. The task was to investigate the potential pollutant sources and to give recommendations of how to minimize the presence of dust and particles in the power plant. The total particle number concentrations and size distributions where measured at 15 points inside the plant with an Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS) Spectrometer. The measured particles were mainly in the ultrafine size range. Dust was only visually investigated, since the main purpose was to follow the dust accumulation. The measurement points inside the incineration plant were chosen according to investigate exposure to visitors and workers. At some points probable leakage of emissions were investigated. The measurements were carried out during approximately one month in March–April 2013. The results of the measurements showed that elevated levels of dust and particles are present in the indoor air at the waste incineration plant. The cleanest air was found in the control room, warehouse and office. The most polluted air was near the sources that were investigated due to possible leakage and in the bottom ash hall. However, the concentrations were near measured background concentrations in European cities and no leakage could be detected. The high concentrations were assumed to be a result of a lot of dust and particles present on surfaces that had not been cleaned in a while. The main source of the dust and particles present inside the waste incineration plant was thought to be particles and dust from the outside air. Other activities in the area around the waste incineration facility are ground work activities, stone crushing and traffic, which probably are sources of particle formation. Filtration of the outside air prior entering the facility would probably save personnel and visitors from nuisance and save in cleaning and maintenance costs.

Vesi- ja pölytiiviit elektroniikkalaitteiden kotelot

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää koteloiden tiiviydelle annettuja vaatimuksia, koteloinnissa käytettyjä tekniikoita, joiden avulla kotelosta saadaan vesi- ja pölytiivis sekä minkä mallisia tiivisteitä on yleisesti käytössä. Vaatimuksia, tekniikoita ja tiivistemalleja on tutkittu kirjallisuustutkimuksen avulla. Koteloille asetettuja vaatimuksia selvitettiin SFS- ja MIL-standardien pohjalta.

Modeling of fireside deposit formation in two industrial furnaces

Fireside deposits can be found in many types of utility and industrial furnaces. The deposits in furnaces are problematic because they can reduce heat transfer, block gas paths and cause corrosion. To tackle these problems, it is vital to estimate the influence of deposits on heat transfer, to minimize deposit formation and to optimize deposit removal. It is beneficial to have a good understanding of the mechanisms of fireside deposit formation. Numerical modeling is a powerful tool for investigating the heat transfer in furnaces, and it can provide valuable information for understanding the mechanisms of deposit formation. In addition, a sub-model of deposit formation is generally an essential part of a comprehensive furnace model. This work investigates two specific processes of fireside deposit formation in two industrial furnaces. The first process is the slagging wall found in furnaces with molten deposits running on the wall. A slagging wall model is developed to take into account the two-layer structure of the deposits. With the slagging wall model, the thickness and the surface temperature of the molten deposit layer can be calculated. The slagging wall model is used to predict the surface temperature and the heat transfer to a specific section of a super-heater tube panel with the boundary condition obtained from a Kraft recovery furnace model. The slagging wall model is also incorporated into the computational fluid dynamics (CFD)-based Kraft recovery furnace model and applied on the lower furnace walls. The implementation of the slagging wall model includes a grid simplification scheme. The wall surface temperature calculated with the slagging wall model is used as the heat transfer boundary condition. Simulation of a Kraft recovery furnace is performed, and it is compared with two other cases and measurements. In the two other cases, a uniform wall surface temperature and a wall surface temperature calculated with a char bed burning model are used as the heat transfer boundary conditions. In this particular furnace, the wall surface temperatures from the three cases are similar and are in the correct range of the measurements. Nevertheless, the wall surface temperature profiles with the slagging wall model and the char bed burning model are different because the deposits are represented differently in the two models. In addition, the slagging wall model is proven to be computationally efficient. The second process is deposit formation due to thermophoresis of fine particles to the heat transfer surface. This process is considered in the simulation of a heat recovery boiler of the flash smelting process. In order to determine if the small dust particles stay on the wall, a criterion based on the analysis of forces acting on the particle is applied. Time-dependent simulation of deposit formation in the heat recovery boiler is carried out and the influence of deposits on heat transfer is investigated. The locations prone to deposit formation are also identified in the heat recovery boiler. Modeling of the two processes in the two industrial furnaces enhances the overall understanding of the processes. The sub-models developed in this work can be applied in other similar deposit formation processes with carefully-defined boundary conditions.

Hydrometallurgical recovery of valuable metals from secondary raw materials

Wastes and side streams in the mining industry and different anthropogenic wastes often contain valuable metals in such concentrations their recovery may be economically viable. These raw materials are collectively called secondary raw materials. The recovery of metals from these materials is also environmentally favorable, since many of the metals, for example heavy metals, are hazardous to the environment. This has been noticed in legislative bodies, and strict regulations for handling both mining and anthropogenic wastes have been developed, mainly in the last decade. In the mining and metallurgy industry, important secondary raw materials include, for example, steelmaking dusts (recoverable metals e.g. Zn and Mo), zinc plant residues (Ag, Au, Ga, Ge, In) and waste slurry from Bayer process alumina production (Ga, REE, Ti, V). From anthropogenic wastes, waste electrical and electronic equipment (WEEE), among them LCD screens and fluorescent lamps, are clearly the most important from a metals recovery point of view. Metals that are commonly recovered from WEEE include, for example, Ag, Au, Cu, Pd and Pt. In LCD screens indium, and in fluorescent lamps, REEs, are possible target metals. Hydrometallurgical processing routes are highly suitable for the treatment of complex and/or low grade raw materials, as secondary raw materials often are. These solid or liquid raw materials often contain large amounts of base metals, for example. Thus, in order to recover valuable metals, with small concentrations, highly selective separation methods, such as hydrometallurgical routes, are needed. In addition, hydrometallurgical processes are also seen as more environmental friendly, and they have lower energy consumption, when compared to pyrometallurgical processes. In this thesis, solvent extraction and ion exchange are the most important hydrometallurgical separation methods studied. Solvent extraction is a mainstream unit operation in the metallurgical industry for all kinds of metals, but for ion exchange, practical applications are not as widespread. However, ion exchange is known to be particularly suitable for dilute feed solutions and complex separation tasks, which makes it a viable option, especially for processing secondary raw materials. Recovering valuable metals was studied with five different raw materials, which included liquid and solid side streams from metallurgical industries and WEEE. Recovery of high purity (99.7%) In, from LCD screens, was achieved by leaching with H2SO4, extracting In and Sn to D2EHPA, and selectively stripping In to HCl. In was also concentrated in the solvent extraction stage from 44 mg/L to 6.5 g/L. Ge was recovered as a side product from two different base metal process liquors with Nmethylglucamine functional chelating ion exchange resin (IRA-743). Based on equilibrium and dynamic modeling, a mechanism for this moderately complex adsorption process was suggested. Eu and Y were leached with high yields (91 and 83%) by 2 M H2SO4 from a fluorescent lamp precipitate of waste treatment plant. The waste also contained significant amounts of other REEs such as Gd and Tb, but these were not leached with common mineral acids in ambient conditions. Zn was selectively leached over Fe from steelmaking dusts with a controlled acidic leaching method, in which the pH did not go below, but was held close as possible to, 3. Mo was also present in the other studied dust, and was leached with pure water more effectively than with the acidic methods. Good yield and selectivity in the solvent extraction of Zn was achieved by D2EHPA. However, Fe needs to be eliminated in advance, either by the controlled leaching method or, for example, by precipitation. 100% Pure Mo/Cr product was achieved with quaternary ammonium salt (Aliquat 336) directly from the water leachate, without pH adjustment (pH 13.7). A Mo/Cr mixture was also obtained from H2SO4 leachates with hydroxyoxime LIX 84-I and trioctylamine (TOA), but the purities were 70% at most. However with Aliquat 336, again an over 99% pure mixture was obtained. High selectivity for Mo over Cr was not achieved with any of the studied reagents. Ag-NaCl solution was purified from divalent impurity metals by aminomethylphosphonium functional Lewatit TP-260 ion exchange resin. A novel preconditioning method, named controlled partial neutralization, with conjugate bases of weak organic acids, was used to control the pH in the column to avoid capacity losses or precipitations. Counter-current SMB was shown to be a better process configuration than either batch column operation or the cross-current operation conventionally used in the metallurgical industry. The raw materials used in this thesis were also evaluated from an economic point of view, and the precipitate from a waste fluorescent lamp treatment process was clearly shown to be the most promising.